Тепловые параметры СПП и выбор условий охлаждения.

Выбор условий охлаждения СПП подразумевает определение требуемого типа охладителя, а также вида и скорости охлаждающей среды.

Мощность потерь, возникающих при прохождении тока через СПП, выделяется в основном в небольшом объеме перехода полупроводниковой структуры. Отсюда тепловой поток, определяемый мощностью потерь, проходит через несколько слоев разнородных материалов: вольфрам или молибден (термокомпенсаторы), серебро или олово (прокладки), медь (токоподводы) и алюминий или медь (охладитель). При этом в СПП имеет место практически одномерный тепловой поток, направленный от полупроводниковой структуры к охладителю, имеющему непосредственный контакт с охлаждающей средой [2.8].

Каждый из указанных слоев оказывает сопротивление распространению теплового потока, вследствие чего возникает перепад температуры между переходом и каждым из указанных слоев.

Приняв условно тепловое сопротивление как перепад температуры на единицу греющей мощности, для теплового сопротивления переход — охлаждающая среда в установившемся тепловом режиме получим следующее выражение [4.1]:

(4-1)

где — температура перехода; — температура охлаждающей среды; — полная мощность потерь в приборе в установившемся режиме;

— установившееся тепловое сопротивление участка переход—корпус СПП; — установившееся тепловое сопротивление участка корпус СПП — контактная поверхность охладителя; — установившееся тепловое сопротивление участка контактная поверхность охладителя — охлаждающая среда.

Тепловое сопротивление переход—корпус определяется в основном площадью структуры, качеством контактных соединений и конструкцией корпуса СПП.

Для СПП штыревой конструкции

где — температура корпуса СПП.

СПП прижимной (таблеточной) конструкции характеризуются тепловыми сопротивлениями переход — анодный вывод корпуса Rthjc и переход — катодный вывод корпуса к,

где — мощность потерь (среднее значение), определяющих тепловой поток от структуры к аноду СПП; — то же, но от структуры к катоду СПП; — температура корпуса со стороны анода; — температура корпуса со стороны катода.

Полное тепловое сопротивление переход-—корпус СПП прижимной конструкции равно результирующему сопротивлению при параллельном соединении сопротивлений

Значения установившихся тепловых сопротивлений СПП без охладителя и с охладителем заданы в информационных материалах, и их используют для определения температуры перехода в длительном установившемся режиме.

Установившиеся тепловые сопротивления не могут быть использованы для определения температуры перехода в кратковременных режимах и длительных режимах с изменяющейся нагрузкой.

Для расчета температур перехода СПП в переходных режимах используют переходные тепловые сопротивления переход—корпус или переход—среда , зависимости которых от времени приведены в информационных материалах.

Такие зависимости заданы для каждого СПП и для СПП с рекомендованным для него охладителем (рис. 4.1).

Приведенные в информационных материалах зависимости переходных тепловых сопротивлений от времени соответствуют наибольшим из возможных значений тепловых сопротивлений СПП данного типа и охладителей.

Переходное тепловое сопротивление на интервале времени равно частному от деления повышения температуры структуры за время . От импульса мощности потерь на значение этой мощности.

Переходное тепловое сопротивление определяется теплоемкостью и теплопроводностью полупроводниковой пластины и прилегающих к ней элементов конструкции прибора и охладителя. Наличие теплоемкости указанных элементов приводит к тому, что требуется определенное время для нагрева этих элементов при подаче импульса мощности потерь и время для их остывания при снятии импульса.

По сравнению с другими элементами схемы ПУ СПП имеют малую теплоемкость, особенно конструктивные элементы СПП, непосредственно прилегающие к полупроводниковой структуре. Последняя при подаче импульса тока нагревается очень быстро (см. § 2.3), и температура перехода может заметно изменяться даже на протяжении одного периода тока промышленной частоты [2.8]. И все же даже небольшая теплоемкость прибора может быть использована для обеспечения его нормальной работы при коротких импульсах тока, значительно превышающих максимально допустимый средний ток прибора.

Если СПП следует применять с охладителем, отличающимся от рекомендованного для него в информационных материалах, переходное тепловое сопротивление переход—среда

(4-6)

где - переходное тепловое сопротивление охладителя.

Значение приводят в информационных материалах на охладители.

Строго говоря, контактное тепловое сопротивление непостоянно во времени, однако вследствие его незначительности по величине и малой тепловой постоянной времени в инженерных расчетах этим можно пренебречь.

При использовании в качестве составляющей его необходимо учитывать для расчетных значений .

Переходное тепловое сопротивление переход—среда зависит как от времени, так и от скорости (расхода) охлаждающей среды (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Зависимость переходного теплового сопротивления переход — среда и переход — корпус от времени t и скорости охлаждающего воздуха (масштаб по осям логарифмический)

В информационных материалах зависимость от времени задана графически для интервала времени .

В пределах этого интервала зависимость (г) может быть представлена аналитически в следующем виде:

— значение по графической зависимости в момент окончания аппроксимируемого участка — значение по графической зависимости в момент начала аппроксимируемого участка — время в пределах аппроксимируемого участка от его начала до конца .

Чем меньше участок аппроксимации, тем выше точность определения сопротивления .

Для отрезка времени от 10 до с при условии, что структура СПП на всем отрезке времени включена полностью, переходное тепловое сопротивление может быть определено по приближенной формуле

где -переходное тепловое сопротивление при с.

Зависимость в функции времени для интервалов с может быть выражена аналитически аналогичными формулами.

При достаточно большой длительности с) можно принять

(4-9)

Вид охлаждения СПП (естественное воздушное или принудительное воздушное или водяное), а также температуру и скорость охлаждающей среды принимают в соответствии с требованиями технического задания на разработку ПУ.

Если в техническом задании нет требований в части скорости (расхода) охлаждающей среды, то целесообразно скорость (расход,) охлаждающей среды принимать равной при естественном охлаждении 0 м/с, при принудительном воздушном охлаждении 6 м/с, при принудительном водяном охлаждении 3 л/мин.

Рис. 4.2. Огибающая амплитуд рабочего тока эквивалентного вентиля на расчетном интервале

Принимать скорость (расход) охлаждающей среды при принудительном охлаждении больше указанной нецелесообразно, так как при более высоких скоростях нагрузочная способность СПП по току увеличивается незначительно. Выбирать скорость (расход) охлаждающей среды меньше указанной нежелательно, так как при этом мало используется нагрузочная способность СПП по току.

При воздушном охлаждении следует использовать СПП с одним из охладителей, рекомендованных для него в информационном материале.

При водяном охлаждении следует использовать СПП с одним из охладителей для водяного охлаждения, рекомендованных для данного типа прибора в информационных материалах на охладители.

Если необходимо использовать СПП с охладителем, имеющимся в информационном материале на охладители, но отличающимся от рекомендованного, то необходимо проверить возможность конструктивного соединения СПП и охладителя.